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最近的發展將通過使用陶瓷金屬板在較高的溫度和較高的壓力下進行熱傳遞來提高太陽熱的發電效率。（普渡大學插圖/雷蒙德·哈桑）

美國能源(yuan)效率&可(ke)再生能源(yuan)辦公(gong)室（簡稱(cheng)EERE）以“材料混搭可(ke)以提(ti)高太(tai)陽(yang)能熱(re)發(fa)電(dian)的效率”為題，將普渡大學（Purdue University）領導的一(yi)組(zu)研究人員發(fa)明的一(yi)種新的復合材料金屬(shu)陶瓷(ci)(ci)成果(guo)作為EERE成功案例進(jin)行推介，表(biao)示(shi)：該金屬(shu)陶瓷(ci)(ci)可(ke)以提(ti)高聚(ju)光太(tai)陽(yang)能熱(re)發(fa)電(dian)站（CSP）的能量轉(zhuan)換。

普渡大(da)學(xue)網站發文表示(shi)：太陽(yang)能(neng)(neng)僅占美國電力的(de)2％，但如(ru)果在陰天和夜間使用(yong)的(de)發電和儲能(neng)(neng)成本更(geng)便宜，則太陽(yang)能(neng)(neng)發電量（注意是(shi)發電量，不是(shi)裝機容量）將占比更(geng)大(da)。太陽(yang)能(neng)(neng)不僅通過農(nong)場(chang)或屋頂上(shang)的(de)電池板發電。另一種選擇是(shi)利用(yong)太陽(yang)熱能(neng)(neng)的(de)聚光太陽(yang)能(neng)(neng)熱發電。

太陽(yang)能熱發(fa)(fa)電系統在白天(tian)通過使(shi)用鏡子或(huo)透鏡將(jiang)大(da)量(liang)的光集中到一個(ge)較(jiao)小(xiao)的區域(yu)上(shang)，收(shou)集能量(liang)，并(bing)將(jiang)其以熱量(liang)的形式存儲在諸(zhu)如熔融鹽之類(lei)的介質(zhi)中，來自(zi)熔融鹽的熱量(liang)被傳遞到超臨(lin)界二氧化碳“工(gong)作”流體中，該流體膨脹并(bing)工(gong)作以使(shi)渦輪(lun)旋轉而(er)發(fa)(fa)電，從而(er)將(jiang)太陽(yang)能轉化為(wei)電能。

普渡大(da)學材料(liao)工程(cheng)Reilly教(jiao)授(shou)肯尼思(si)·桑德哈格（Kenneth Sandhage）表示：“將太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)作(zuo)為(wei)熱(re)能(neng)儲(chu)存已經比(bi)通過電(dian)池儲(chu)存電(dian)力便(bian)宜，利用太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)（作(zuo)為(wei)熱(re)能(neng)）是(shi)更有效(xiao)的發電(dian)形式(shi)。為(wei)使太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)熱(re)發電(dian)與化石燃料(liao)進行直接(jie)成(cheng)本競爭，下一步(bu)就是(shi)要降低利用太(tai)陽(yang)(yang)熱(re)能(neng)發電(dian)的成(cheng)本，這(zhe)額外的收益還有零溫室氣體(ti)排(pai)放。”

為(wei)了(le)使太(tai)陽能發(fa)(fa)電成(cheng)本更便(bian)宜(yi)，渦(wo)輪發(fa)(fa)動機將(jiang)需(xu)要以相同的(de)(de)熱(re)量產生更多(duo)的(de)(de)電力，這(zhe)意味(wei)著發(fa)(fa)動機需(xu)要運轉的(de)(de)更熱(re)。熱(re)交(jiao)換(huan)器將(jiang)鹽類中的(de)(de)能量轉移(yi)到(dao)渦(wo)輪機的(de)(de)高壓(ya)(ya)工作(zuo)流體中（對于(yu)當(dang)前電站而(er)(er)言為(wei)565℃的(de)(de)蒸汽，對于(yu)下(xia)一代太(tai)陽能熱(re)發(fa)(fa)電技(ji)術而(er)(er)言，則為(wei)超過700℃的(de)(de)超臨界二(er)氧化碳(tan)（sCO?）。當(dang)今的(de)(de)熱(re)交(jiao)換(huan)器是(shi)由不(bu)銹(xiu)鋼和(he)鎳(nie)基合金制成(cheng)的(de)(de)，這(zhe)些(xie)合金在所(suo)需(xu)的(de)(de)較高溫度和(he)超臨界二(er)氧化碳(tan)的(de)(de)升高壓(ya)(ya)力下(xia)會變得太(tai)軟。維持承受高壓(ya)(ya)所(suo)需(xu)的(de)(de)強度將(jiang)需(xu)要更厚的(de)(de)壁，但是(shi)這(zhe)會使用更多(duo)的(de)(de)材料(liao)，從而(er)(er)增加(jia)了(le)成(cheng)本。

受他的(de)團(tuan)隊之前組(zu)合(he)材料的(de)啟發，Sandhage與現在在麻省理工(gong)學院的(de)Asegun Henry合(he)作，設想(xiang)了類似的(de)、用于更(geng)堅固的(de)熱交換器的(de)復合(he)材料，這些材料可(ke)以應(ying)對高(gao)(gao)溫和(he)高(gao)(gao)壓(ya)的(de)應(ying)用，例(li)如固體燃料火箭噴嘴(zui)。

普渡大學的研究人員(yuan)創建了陶瓷-金(jin)屬(shu)復(fu)合材(cai)料板。這兩種(zhong)材(cai)料以復(fu)合材(cai)料的形式共同展現(xian)出前(qian)景：陶瓷碳化(hua)鋯和金(jin)屬(shu)鎢。根據DeveshRanjan團隊(dui)在佐治亞理工(gong)學院(yuan)進行的通道(dao)模(mo)擬(ni)，這些板具有可定制的通道(dao)，用于(yu)定制熱交換。

普(pu)渡大(da)學(xue)(xue)的(de)制(zhi)造工藝始于(yu)多孔碳化(hua)鎢，該(gai)碳化(hua)鎢很(hen)容易(yi)形(xing)成圖案(an)板(ban)，然(ran)后浸入鋯和(he)銅(tong)(tong)的(de)熱(re)液(ye)(ye)體(ti)溶液(ye)(ye)中(zhong)。平(ping)板(ban)吸收(shou)溶液(ye)(ye)，引發化(hua)學(xue)(xue)反應，形(xing)成致密(mi)且堅固的(de)金屬陶瓷。在(zai)普(pu)渡大(da)學(xue)(xue)的(de)設計(ji)中(zhong)，這些(xie)板(ban)彼此(ci)堆疊，粘合在(zai)一起并連(lian)接到熔融鹽(yan)和(he)sCO?進出熱(re)交換器(qi)的(de)管(guan)上(shang)。每個板(ban)都有可定制(zhi)的(de)通道，以優化(hua)從熔融鹽(yan)到sCO?的(de)熱(re)量傳遞。熔鹽(yan)和(he)sCO?越熱(re)（溫度越高），太陽能熱(re)發電站從相同量的(de)陽光中(zhong)可以產生的(de)電力(li)就越多。研究(jiu)小(xiao)組發現，在(zai)sCO?中(zhong)添(tian)加(jia)少量一氧化(hua)碳，在(zai)板(ban)上(shang)添(tian)加(jia)銅(tong)(tong)結合層，有助于(yu)防止因sCO?的(de)高工作溫度和(he)壓力(li)可能產生的(de)腐蝕。

在熱(re)(re)交換(huan)器(qi)內部形成的(de)金屬(shu)陶瓷(ci)堆疊板，該(gai)熱(re)(re)交換(huan)器(qi)可以(yi)(yi)傳導比傳統(tong)合金多兩到三倍的(de)熱(re)(re)量(liang)。這(zhe)些板可幫助將太(tai)陽能熱(re)(re)發電(dian)站的(de)相(xiang)對(dui)熱(re)(re)-電(dian)轉換(huan)效率提高20％以(yi)(yi)上，從(cong)當(dang)前系統(tong)運(yun)行溫(wen)度565℃時(shi)的(de)約(yue)41％提高到超(chao)過(guo)700℃時(shi)的(de)50％或更高，從(cong)而(er)降低(di)了發電(dian)成本。

橡(xiang)樹嶺國家(jia)實(shi)驗室的(de)(de)埃德加·拉(la)拉(la)·庫爾齊奧（Edgar Lara-Curzio）團(tuan)隊進行的(de)(de)機(ji)械測(ce)試(shi)以(yi)及威斯(si)康星州-麥迪(di)遜分校(xiao)的(de)(de)馬(ma)克·安德森（Mark Anderson）的(de)(de)團(tuan)隊進行的(de)(de)腐蝕測(ce)試(shi)表明，這種新的(de)(de)復合材料可以(yi)量身定制，以(yi)成功承受高溫(wen)高壓(ya)超臨界二氧(yang)化碳(tan)發電所需，與當今的(de)(de)熱交(jiao)換器相比，效率更高。

佐治亞理工學(xue)院和普渡大(da)學(xue)的研究人員還開發了(le)一(yi)種技術經濟模型，經濟分(fen)析(xi)還表明，與不銹鋼或鎳合(he)金基熱(re)交(jiao)換器相(xiang)比，這些(xie)熱(re)交(jiao)換器熱(re)電效率(lv)的提高，能以更低的成(cheng)(cheng)本(ben)進行大(da)規模生產(chan)。此過程將是實現成(cheng)(cheng)本(ben)目標(biao)的關鍵(jian)，該(gai)目標(biao)可以使美國的太陽能熱(re)發電技術具有(you)成(cheng)(cheng)本(ben)效益。

Sandhage說(shuo)：“最終(zhong)，隨(sui)著(zhu)不(bu)斷的發展，這項技術將使(shi)可再生太(tai)陽能(neng)大規模滲透到電(dian)網中(zhong)(zhong)。”“這將意味著(zhu)大大減少(shao)電(dian)力生產(chan)中(zhong)(zhong)的人造二(er)氧化碳(tan)排放(fang)。”

這(zhe)項(xiang)研究(jiu)是由普(pu)渡大學與佐治亞理工學院(yuan)，威斯康星大學麥迪遜分校和橡(xiang)樹嶺(ling)國(guo)家實驗室合作完成，發表(biao)在《自然》雜志(zhi)上（摘要見下）。這(zhe)項(xiang)進(jin)步已經申請了專利，并得到了美(mei)國(guo)能源部(bu)的(de)支持，該部(bu)門(men)最近(jin)還獲得了更多資金，用于進(jin)一步開(kai)發和擴大該技術。

摘要

Ceramic–metal composites for heat exchangers in concentrated solar power plants

用于聚光太陽能熱(re)發電熱(re)交換器的陶瓷(ci)-金屬復(fu)合材料(liao)

為了(le)提高(gao)聚光太陽(yang)能熱發(fa)電(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)電(dian)效率，提高(gao)渦(wo)(wo)輪(lun)機的(de)(de)(de)(de)(de)進(jin)(jin)口溫(wen)度(du)(du)是一個手段，這將需要改(gai)善(shan)熱交換器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)材料。通(tong)過使用閉(bi)環(huan)(huan)高(gao)壓(ya)超臨界二氧化碳(tan)（sCO?）再壓(ya)縮(suo)循(xun)(xun)環(huan)(huan)，渦(wo)(wo)輪(lun)機入口溫(wen)度(du)(du)高(gao)于(yu)(yu)(yu)1023開爾文，而不(bu)是使用常規的(de)(de)(de)(de)(de)（例如亞臨界蒸汽朗肯(ken)）進(jin)(jin)氣溫(wen)度(du)(du)低于(yu)(yu)(yu)823開爾文的(de)(de)(de)(de)(de)循(xun)(xun)環(huan)(huan)，相對熱-電(dian)轉換效率可能提高(gao)20％以上(shang)。從而帶來的(de)(de)(de)(de)(de)可調度(du)(du)太陽(yang)能熱發(fa)電(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)力成本下降（加上(shang)熱能存儲(chu)）將是與化石燃料發(fa)電(dian)廠直(zhi)接競爭并大(da)幅減(jian)少溫(wen)室氣體排(pai)放的(de)(de)(de)(de)(de)重要一步。但(dan)是，閉(bi)環(huan)(huan)高(gao)壓(ya)sCO2渦(wo)(wo)輪(lun)機系統的(de)(de)(de)(de)(de)入口溫(wen)度(du)(du)受到(dao)用于(yu)(yu)(yu)將熱量傳遞到(dao)sCO?的(de)(de)(de)(de)(de)緊湊(cou)型、基于(yu)(yu)(yu)金屬合金的(de)(de)(de)(de)(de)印刷電(dian)路(lu)型熱交換器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)熱機械性(xing)能的(de)(de)(de)(de)(de)限(xian)制。

在(zai)這(zhe)里，我們介紹(shao)了(le)一(yi)種(zhong)堅(jian)固的(de)(de)陶(tao)瓷（碳(tan)化(hua)(hua)(hua)鋯(gao)，ZrC）和(he)難(nan)熔金屬鎢（W）的(de)(de)復(fu)合(he)(he)材料(liao)(liao)，可(ke)用于溫(wen)度(du)高(gao)于1023開(kai)(kai)爾文的(de)(de)印刷電路式(shi)換熱(re)器中(zhong)。這(zhe)種(zhong)復(fu)合(he)(he)材料(liao)(liao)具(ju)有吸引力的(de)(de)高(gao)溫(wen)熱(re)、機(ji)械和(he)化(hua)(hua)(hua)學(xue)性能，并且可(ke)以以經濟有效的(de)(de)方(fang)式(shi)進行加(jia)工(gong)。通過多孔碳(tan)化(hua)(hua)(hua)鎢板的(de)(de)形狀(zhuang)和(he)尺寸保持化(hua)(hua)(hua)學(xue)轉化(hua)(hua)(hua)，我們制造了(le)具(ju)有可(ke)調通道(dao)圖案的(de)(de)基(ji)于ZrC/W的(de)(de)熱(re)交換器板。致(zhi)密的(de)(de)ZrC/W基(ji)復(fu)合(he)(he)材料(liao)(liao)在(zai)1073開(kai)(kai)爾文溫(wen)度(du)下的(de)(de)破(po)壞強度(du)超過350兆帕斯卡，在(zai)此溫(wen)度(du)下的(de)(de)熱(re)導率值(zhi)是(shi)鐵基(ji)或鎳基(ji)合(he)(he)金的(de)(de)兩到(dao)三倍。通過將(jiang)銅層粘(zhan)合(he)(he)到(dao)復(fu)合(he)(he)材料(liao)(liao)表面并向sCO?中(zhong)添(tian)加(jia)百萬分(fen)之(zhi)一(yi)的(de)(de)一(yi)氧化(hua)(hua)(hua)碳(tan)，可(ke)在(zai)1023開(kai)(kai)爾文和(he)20兆帕的(de)(de)壓力下實現對sCO?的(de)(de)抗腐蝕。

技術經濟分析表明，基于ZrC/W的(de)換(huan)熱器可以以較低(di)的(de)成本大大勝(sheng)過基于鎳超合金的(de)印刷電路換(huan)熱器。